网络虚拟实验室体系结构研究

网络虚拟实验室的发展及其特点 网络虚拟实验就是在 WEB 中创建出一个可视化的环境，其中每一个可 视化的物体代表一种实验对象。通过鼠标的点击以及拖曳操作，用户可以进 行虚拟的实验。网络虚拟实验实现的基础是多媒体计算机技术与网络技术的 结合。无论是学生还是教师，都可以自由地、无顾虑地随时进入虚拟实验室 操作仪器，进行各种实验。为实验类课程的教学改革及远程教育提供了条件 和技术支持。许多国内外从事实验室工作的研究者们在实践中还提出这样一 些概念：Digital Lab、MBL(Micro-computer Based Lab)，尽管这些名词不 统一，但他们的实践从不同的层面实现了虚拟实验室。 1.1 印地安那州立大学的 MBL 化学实验室 该实验室在给新生开化学实验课时用计算机来辅助做这样一些事，用计 算机采集与分析实验数据，用计算机展示实验，在网上发布相关的实验指导 材料。 1.2 芝加哥伊利诺伊大学数字化有机化学实验室 该实验室充分利用网络资源，在网上提供了一系列的实验教学指导：在 线实验教材;实验教学时间表;实验测评方法、形式、时间;虚拟实验;相关教学 资源的链接等。他们还用计算机进行实验教学的教务管理。 1.3 卡罗莱纳州立大学的 LAAP(Learn Anytime Anywhere Physics) 他们利用 Java 技术建立了基于 Web 的探索式虚拟物理实验室，主要有 以下几个模块：基于 Java Applet 的虚拟实验设备和实验设施;相关的实验课 程模块;实验学习结果评价模块;协作学习模块。 虚拟实验室最大的优点是成本低，效率高。因为“软件即为仪器”，这样 就可解决因实验经费不足或高档次、高价位设备缺乏所不能开出的实物实验 ， 同时也不会造成因使用不当，管理不善等因素造成的仪器损坏、元器件丢失 等现象。同时虚拟实验还可以模拟实验室中没有的设备，而且还可以不受时 空的限制方便地进行实验 。另外，虚拟实验室还应具备一些基本特征：与现 实的一致性(或现实的延伸)、高度交互性、实时的信息反馈。 2 网络虚拟实验室体系结构 网络虚拟实验室应是一个集虚拟实验教学管理系统、实验课教学指导系 统，网络实验仿真等为一体的功能强大的网上运行系统。各部分之间相互联 系相互补充，仅具有相对独立性。开发虚拟环境，实现实验仿真应是虚拟实 验室建设的核心部分。图 1 是虚拟实验室体系结构图。 3 构建网络虚拟实验室的关键技术 目前国内的虚拟实验室研究还处于萌芽阶段，国外已经有很多大学进行 了这方面的研究。总结他们所使用的技术，可以看出大多可以划分下面几类： 3.1 Java 技术 Java 是一个广泛使用的网络编程语言，它是一种新的计算概念。首先， 作为一种程序设计语言，它简单、不依赖于机器的结构、具有可移植性、安 全性、并且提供了并发的机制、具有很高的性能。其次，它最大限度地利用 了网络，Java 的小应用程序(applet)可在网络上运行而不受 CPU 和环境的限 制。另外，Java 还提供了丰富的类库，使程序设计者可以很方便地建立自己 的系统，这一点对于构建网上虚拟实验室系统来说也是非常关键的。 3.2 ActiveX 控件 1 ActiveX 技术允许不同软件开发的组件在网络上可以互相进行操作。Ac? 鄄 tiveX 使用了微软的组件对象技术使得本地的组件可以和网络上的组件进 行通信，使用 ActiveX 开发的另一个好处在于它的代码复用性，也就是说在 虚拟实验室的开发过程中，一个实验仪器可以在多个实验环境中重复使用， 这一点对于持续开发过程尤为重要。这种技术使得一个大的工程项目可以划 分成小块的组件，也就相当于把复杂工程简单为一个个组成部分，完成了每 个组成部分之后集成起来就可以得到最终的项目。可以开发 ActiveX 组件的 环境有很多，其中开发效率最高和最易上手的是 Visual Ba?鄄 sic。 3.3 VRML 技术 VRML 是虚拟实境描述模型语言 (Virtual Reality Modeling Language) 的 简称。它是描述虚拟环境中场景的一种标准，也是在网上实现虚拟现实的关 键性技术。VRML 的基本特征包括分布式、交互式、平台无关、三维、多媒 体集成、逼真自然等，被成为“第二代 WEB”，已经被越来越多的人们所重 视。国际标准化组织 1998 年 1 月正式将其批准为国际标准。VRML 是一种建 模语言，其基本目标是建立 Internet 上的交互式三维多媒体，也就是说，它 是用来描述三维物体及其行为的，可以构建虚拟境界。用 VRML 实现与 Internet 虚拟现实交互有下面几个好处：丰富了媒体表现形式、协同工作角 色的可视化管理、改善了协同环境的用户界面、增强了协同环境的交互性。 可见，将 VRML 融合到网上虚拟实验室的开发过程中，既可以增强表现力和 用户的接受力，又可以实现较好的协同工作虚拟化环境。 3.4 ASP 技术 ASP(Active Server Pages ， 动 态 服 务 器 端 网 页 ) ， 内 含 在 Internet Information Server 3.0 及其以上版本中，提供一个服务器端的脚本环境， 用于产生和执行动态、高效率的网络服务器应用程序。ASP 不只是动态的网 页，它更是当今众多的 Web 应用程序实作方式之一，它负责整个 Web 应用 程序的控制部分。ASP 提供五个内建的对象供使用者调用，即 Re?鄄 quest 对象(取得用户信息)、Response 对象(传送信息给用户)、Server 对象(提供访 问服务器的方法、属性)、Application 对象(用于多个使用者在多个网页间共 享信息)和 Session 对象(用于单个使用者在多个网页间共享信息)。 4 网络虚拟实验室开发过程当中应注意的几个问题 计算机软件技术发展到今天，为虚拟实验室开发提供了极大的方便。目 前开发所需的系统软件或工具均支持面向对象的程序设计。它们都有事件驱 动的支持，消息循环的程序设计方法及多媒体操作技术。在开发过程当中要 注意以下几个问题： 事件触发时机的选择，实际操作当中某个按钮按下后并不立即反映，需 要延时回应，外部接口的输入信号或其它信息往往是定时触发或随机触发的 事件，若为随机触发的事件则可用一定时限内的随机数来取代固定时间。 事件联锁关系或动态顺序关系可以存放在一张数据库表中描述，修改方 便。给定相应的条件、控制范围，自动形成数据表，使数据和程序独立。 模拟声音，要使实验达到逼真，除了模拟控制台实物景象，还要模拟它 们实验环境中的各种声音，如汽笛声、按钮按动声、内部机械动作声等。这 样，才能使学生在实验室有身临其境的感觉，全身心地投入学习。 模拟台面各种动作的结果，台面上每个控件的动作都会触发一定的事件。 这些事件在实物设备中是靠机械、电子电路等去完成，而现在将这些机械及 电子逻辑关系使用计算机软件实现。 故障发生器，在实际工作中除了设备正常情况下的操作，还有各种意外 情况，如某些设备故障的情况。此时，要求在虚拟系统中也能模拟手柄失灵、 仪表信号不显示及自然灾害发生的情况等，即给实验增加一些难度，强化学 生实际操作能力。 5 结束语 虚拟实验技术在实验教学中具有广阔的应用、发展前景，随着虚拟实验 的普及，其优越性会被越来越多的人认识。但要使虚拟实验技术真正得到推 广应用，关键还是观念的改变，首先是教师观念的改变，除了具有创新精神 和能力外，还应有一个科学的投资理念，在实验室建设和发展中，充分考虑 投资效益，建设现代化的实验室。其次要培养一支高素质的实验队伍，不断 地进行知识更新，加强学习，重视信息的收集、加工、应用，了解掌握最新 技术，促进实验教学发展。虚拟实验的应用和发展，加快了实验室发展和实 验教学改革，促进了教育观念的改变。是培养创新人才的新的实验手段。 虚拟实验在 21 世纪实验教学中必将占有重要地位，无疑会起到很大的 作用。 参考文献 1 崔光佐.基于多媒体和 Internet 的辅助教学模式 [J].J].中国 CAI 快讯， 1999 2 王河，顾君忠.Internet 上协同环境的虚拟现实交互技术[J].J].计算机应 用